熱交換器ファンの選択

アプリケーションに適したファンを計算する方法

最もよく知られているタイプの熱交換器は、車のラジエーターです。ラジエーターでは、不凍液としても知られる水とエチレングリコールの溶液がエンジンからラジエーターに熱を伝達し、その後ラジエーターからラジエーターを流れる周囲の空気に伝達されます。このプロセスは、車のエンジンの過熱を防止するのに役立ちます。 Similarly, Boyd's heat exchangers are designed to remove excess heat from aircraft engines, optics, x-ray tubes, lasers, power supplies, military equipment, and many other types of equipment that require cooling beyond what air-cooled heat sinks can provide.

空気対液体冷却の用途で最も重要なパラメータの1つは、気流です。プロセスを冷却するために必要な気流を計算するには、拡散される熱量と気温の変化を知る必要があります。ただし、ファンを選択するには、気流だけでは不十分です。また、空気経路に沿ったシステムインピーダンスも計算する必要があります。気流とシステムインピーダンスは、プロセスを冷却するために必要なファンの動作ポイントを定義します。熱交換器用のファンを選択する場合、考慮すべき事項は他にも、ファンとブロワ、一定または可変流量、ACまたはDC電源などがあります。

気流要件の確立

これは、STP条件でキャビネット内で発生する熱を拡散するために必要な気流です。冷却能力を決定するのは、その体積ではなく、空気の質量であることに注意してください。

システムインピーダンスの決定

ITDは、流入する熱風と冷水の初期温度差です。

下の図1に示すように、6105銅管フィン熱交換器は、少なくとも27CFMと0.25gpmを超える水流を供給できるファンと組み合わせると、6.9 W /°Cを提供します。図2で示すように、オリエンタルモーターファンモデルMU1225Sを選択した場合、ピンクの縦線と横線は、0.11インチの水深で、このファンが39 CFMを提供することが分かります。これは、当社の要件である27 CFMをはるかに超える値です。ただし、フィンガーガードやフィルターなどのファン用アクセサリは、図2のポイントA、B、Cの気流の違いが示すように、ファンの性能に影響を与える可能性があることに注意してください。この例のような高インピーダンスシステムでは、ファンの性能への影響は最小限になります。ただし、低インピーダンスシステムでは、ファンの性能への影響が大きくなる場合があります。キャビネットの気流経路が明確な場合、図1のポイントD、E、F間の気流の違いが示すように、システムインピーダンスは比較的低く、アクセサリーはファンの性能に大きな影響を与えます。必要量からの気流の大幅な低下は、熱交換器の性能に影響を与えます。

ファンを選択する際には、気流とシステムインピーダンスに加えて、ファンの種類、一定流量または可変流量、ACまたはDC電源、空気密度、ノイズ、平均寿命、EMI/RFI干渉など、その他の重要な要素を考慮する必要があります。

アキシャルファンまたはブロワ

システムインピーダンスおよび全体で必要とされる気流を特定したら、次に検討するのは、使用するファンの種類です。最も一般的な種類のファンは、アキシャルファンとブロワです。アキシャルファンは、ファンブレード軸に向かって平行に空気を移動させます。このタイプのファンは低静圧条件下で上手く機能し、低ノイズが要求される場合に好んで使用されます。ブロワは遠心式で、空気は回転軸に対して垂直に移動します。ブロワは、通信やハイエンドサーバーなどの高圧用途に適しており、ピーク静圧近くで最大の効率を発揮します。

一定流量または可変流量

サイズ計算は、最悪のシナリオに基づいて行われるため、ファンのサイズが特大であることがよくあります。たとえば、ファンのサイズは、必要な最大の熱拡散、もしくは非常に高い周囲温度に基づいて設定されることがあります。この場合、特大のファンが発揮する追加の性能は、極端な状況でのみ必要とされる場合があります。多くの動作段階では、かなり低い流量でも十分です。たとえば、周囲温度を下げるためにより低い気流を使用したり、デバイスが部分的な負荷でのみ動作したりする場合などです。「インテリジェント」ファンは、変化する条件への適応が必要な用途に効果的なソリューションです。このタイプの温度に依存するファン制御では、熱負荷が低いと速度が低下します。その結果、ノイズ放射と電力要件が減少します。

ACまたはDCファン

システムの使用可能電力によって、ファンの種類が変わる場合があります。用途に対する電力要件に柔軟性がある場合は、DCファンとACファンのメリットを比較検討する必要があります。DCファンは可変流量を、ACファンは一定流量を供給します。過去には、DCファンはACファンと比べて著しく高額でした。現在では価格差はほとんどなく、性能と機能に基づいて選択することができます。ACファンは今日でも広く使用されていますが、DCファンはより長い寿命、約60%少ない消費電力、より低いレベルのEMI（電磁干渉）とRFI（無線周波数干渉）が特徴です。

熱交換器用のファンを選択するときは、冷却要件とシステムインピーダンスだけでなく、ファンの種類、一定または可変流量、およびACまたはDC電源についても考慮することが重要です。 Further down in this post additional fan considerations such as life expectancy, air density, noise, and EMI/RFI interference will be discussed.

How to Calculate Which Fan is Right Continued…

空気から液体または液体から空気へと冷却するアプリケーションで、考慮すべき最も重要なパラメータの1つは、空気の流れです。したがって、適切なファンの選択が、適切な熱交換器を選択することと同じくらい重要となります。 We calculated airflow and system impedance requirements and discussed selection factors such as AC or DC power, constant or variable flow, and the choice of a fan or blower. This article will discuss other important heat exchanger fan selection factors such as air density effects, noise, life expectancy, and EMI/EMC interference.

空気密度の影響

雑音

ファンを選択する際のもう一つの重要な要素はノイズです。ノイズはファンの性能に直接影響しませんが、ファンを選択する際に考慮するべき重要な理由が2つあります。第一に、騒音は作業効率に影響を与える可能性があり、極端な場合には、長期的な聴覚障害を引き起こす可能性もあります。OSHA（米国労働安全衛生局）の職業性騒音曝露-1910.95などの基準では、聴力喪失が発生しないように、聴覚保護のない状態でのさまざまな騒音レベルへの曝露が制限されています。

第二に、ノイズはシステムの動作と全体的な信頼性に大きな影響を与える可能性があります。ノイズは一部の電子機器の機能に影響を与える可能性があり、振動吸収剤として機能することで、振動によって疲労する可能性があります。また、実験室などの一部の動作環境には、ノイズに敏感な機器もあります。

ファン設計により、ファンブレード表面と後縁からの空気分離によって発生する広帯域ノイズを最小限に抑えることができます。ノイズは、適切なピッチ角とノッチ付きまたは鋸歯状の後ブレードエッジで最小限に抑えることができます。当社の高性能ダブル幅ダブルインレット(DWDI)ブロワーは、音響を軽減し、騒音レベルを低減してユーザーエクスペリエンスを向上させ、敏感なデバイスの周囲振動を低減するように特別に設計されています。

平均寿命

ファンの平均寿命は、ファンの回転速度が大幅に失速したり、使用できなくなるほど多くのノイズを放出したりすることなく、ファンを継続的に動作させることができる期間として定義されます。システムで高い信頼性を実現するため、通常ファンには、故障のない長寿命性が求められます。ベアリングの故障は、ほとんどのファンで不具合を引き起こします。ただし、非常に大きな負荷を運ぶモーターやギアヘッドベアリングとは異なり、冷却ファンに使用されるベアリングの負荷は通常ごくわずかです。したがって、ファンの寿命は、ベアリング内の潤滑剤の劣化によって判断できます。ファンは重機を駆動するモーターに比べて走行トルクや始動トルクが低いため、潤滑油が劣化すると適切に回転しません。劣化が発生すると、始動電圧が上昇し、ファンが始動しない場合があります。潤滑剤の劣化は、ベアリングから発生するファンノイズも増加させます。

ファンの寿命を特定するために最もよく使用されている2つの方法に、より幅広く使用されているL10寿命法とMTBF(平均故障間隔)があります。両者の違いは、L10寿命では、一連のファンの10%が故障するまでかかる時間に特化して参照している点です。ファンのMTBFは、ファンの50%が故障した時間に近くなります。ファンL10の寿命は、通常、75% RH、-40°C～50°Cの通常の動作条件下で通常は60,000～70,000時間になります。MTBFの寿命範囲は、通常、同じ条件下で200,000～300,000時間です。

長寿命にするためには、高品質のボールベアリングファンが最も信頼できるオプションだと考えられます。L10法を使用して、25°C〜60°Cの温度でスリーブベアリングファンとボールベアリングファンの平均寿命を比較すると、ボールベアリングファンはスリーブベアリングファンよりも平均で50%長持ちします。一般的に、温度が周囲温度に近い場合は、スリーブファンとボールベアリングファンの寿命に大きな違いはありません。従来、ボールベアリングは、周囲温度が高い条件下ではファンモーターのスリーブベアリングよりも長寿命でした。当社の標準的な軸流ファンや焼結スリーブベアリングで使用されているような流体潤滑ベアリング(FLB)の技術が最近向上したことから、大幅に削減されたコストで少なくともボールベアリングと同等の信頼性の数値が得られるようになりました。

EMIおよびEMC干渉

ファンを選択する際に考えられる別の要因に、EMI(電磁波障害)とEMC(電磁両立性)があります。EMIは、定義上、機器の通常の動作を妨げる可能性のあるあらゆる電気的な影響を指します。EMI干渉は、伝導干渉と放射干渉の2つに大きく分けられます。

伝導干渉とは、電力線や信号線を介して伝導される望ましくないあらゆる信号を指します。放射干渉とは、ソースから放射され、機器の通常の動作に影響を与える可能性のある、あらゆる望ましくない信号を指します。伝導EMIは通常、放射EMIよりも問題視されます。実際、ブラシレスDCファンを扱う場合には、通常伝導EMIのみが懸念事項となります。

通常、正弦波電圧で動作するAC誘導モーターに、EMIの懸念はありません。ただし、モーターとその入力リード線の近くでは、小さな磁気干渉が存在する可能性があります。機械的または電子的に整流されたDCモータ、および電子コントローラによって駆動されるACモータには、EMIシグネチャがあります。EMIは、モーター内の磁場の回転を生成するために必要となるDC電圧の切り替えによって生成されます。

EMC(電磁両立性)は、他の電子機器の動作に影響を与える可能性のある不要な電磁波障害を発生させることなく機器が動作する能力、および他の場所で発生する不要な干渉によって悪い影響を受けない能力として説明できます。

つまり、どのファンを選択するのかは、液体から空気、および空気から液体への冷却アプリケーションで非常に重要な要因となります。アプリケーションに適したファンのサイズを設定する際に必要となるのは、エアフローと静圧の計算だけではありません。本記事のパート1および2で説明したように、信頼性の高いシステムを提供するためにファンのサイズを決定する際には、他にもいくつか、設計者が考慮しなければならない非常に重要な要素があります。空気密度の影響、ノイズ、平均寿命、およびEMI/EMC干渉などがそうです。

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